YH型電纜艙外彎曲力矩評價方法

張義，張紅旗，毛喜平，賈曉

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天任務(wù)的復(fù)雜化和空間環(huán)境條件下的特殊應(yīng)用要求都對電子元器件的技術(shù)指標(biāo)、空間環(huán)境適用性[1]，以及產(chǎn)品使用可靠性等提出了更高的要求。一般情況下，電纜在艙外固定連接非移動使用時，重點(diǎn)要考慮電纜的耐輻照、低軌道耐原子氧[1-2]和極限工作溫度等空間環(huán)境適用性指標(biāo)；而在艙外環(huán)境下，當(dāng)電纜需要與連接機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲轉(zhuǎn)動時，電纜本身就會因自身彎曲轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生彎曲力矩，因此，當(dāng)電纜在艙外特定的條件下使用時，除了要了解其空間環(huán)境適用性指標(biāo)外，評估分析電纜在不同的使用條件下的彎曲力矩也很重要。

YH電纜就是針對航天型號特定使用條件而定制開發(fā)的一款電纜，能夠滿足空間環(huán)境下艙外連接彎曲使用的任務(wù)需求。YH型電纜主要用于某衛(wèi)星平臺電推進(jìn)器[3-4]上，該衛(wèi)星平臺為我國下一代超大型地球同步軌道公用平臺，能夠適用于通信、電子偵察、微波遙感類載荷需求，并兼顧光學(xué)遙感載荷需求，平臺的主要特點(diǎn)是 “高承載[5]、大功率、高散熱、可擴(kuò)展、長壽命”，因此電纜在平臺中所起的作用也不言而喻。在太空中，推進(jìn)器工作調(diào)整軌道時會發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而帶動電纜一起發(fā)生移動，電纜產(chǎn)生的彎曲力矩不同，對推進(jìn)器所需要的能耗也會不同。衛(wèi)星上電池提供給各個載荷的能量是有限的，為了保證電推進(jìn)器能夠長期工作就要減小電纜和推進(jìn)器的轉(zhuǎn)動所需要的能量，這個能量即推動器克服電纜因彎曲而產(chǎn)生的力矩所需要的最小能量。因此，有必要對電纜在空間環(huán)境下產(chǎn)生的動作狀態(tài)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證出電纜在各類工況條件下的彎曲力矩，從而能夠掌握電推進(jìn)器牽引電纜所需要的最大能量值，對型號設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)需求分析

1.1 YH電纜結(jié)構(gòu)分析

YH型電纜導(dǎo)體采用鍍鎳銅絞線，里層繞包聚酰亞胺復(fù)合帶，中層為聚醚醚酮 （PEEK）[6]擠出的絕緣材料，次外層繞包聚酰亞胺復(fù)合帶和半導(dǎo)電帶，最外層為鍍鎳單絲屏蔽層。YH型電纜的生產(chǎn)工序主要包含繞包、擠出和編織。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

YH電纜的結(jié)構(gòu)不同于一般的宇航用安裝導(dǎo)線，主要區(qū)別是其使用的絕緣材料非同常規(guī)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且采用了PI繞包和PEEK薄壁擠出相結(jié)合的新型復(fù)合絕緣技術(shù)。在絕緣材料方面，所使用的PEEK材料邵氏硬度 （D）為83.5（典型值），產(chǎn)品具有較高的硬度，柔軟性差，從而彎曲強(qiáng)度也相對較大。對于電纜來說，柔軟度是和彎曲強(qiáng)度成正比的，本文開展的電纜彎曲力矩評價方法主要適用于具有較高硬度或強(qiáng)度的電纜，而對于柔性或超柔性電線電纜而言，由于其彎曲強(qiáng)度很小，不適合開展彎曲力矩試驗(yàn)評價或開展彎曲力矩試驗(yàn)評價的實(shí)際意義不大。

此外，YH電纜本體內(nèi)部不存在封存應(yīng)力或其他試驗(yàn)預(yù)處理的前提條件，因此無需采取類似烘培或高溫貯存等去應(yīng)力的預(yù)處理措施。

1.2 電纜彎曲力矩試驗(yàn)方法調(diào)研

對國內(nèi)外電纜國軍標(biāo)和美軍標(biāo)進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)GJB 773A、SAE AS 22759和Q/W 743等電線電纜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，目前沒有對電纜彎曲力矩進(jìn)行試驗(yàn)及評價的方法。在連接器附件總規(guī)范GJB 1784中提到了正常環(huán)境下對連接器附件進(jìn)行彎曲力矩試驗(yàn)的方法，即：施加的負(fù)荷力 “P”與電連接器附件前面的距離 “L”的乘積即為電連接器附件的彎曲力矩[7]。但該試驗(yàn)方法是從設(shè)計(jì)角度所做的要求，具有一定的局限性，對電纜彎曲力矩試驗(yàn)的借鑒作用不大。

由于目前電線電纜行業(yè)暫無完全可借鑒的彎曲力矩評價方法，因此，需要根據(jù)任務(wù)的實(shí)際要求，開發(fā)設(shè)計(jì)出一套適用、可行的電纜彎曲力矩測試評價方法和硬件平臺。本文所提及的電纜彎曲力矩，從嚴(yán)格意義上講，是模擬航天型號的實(shí)際使用條件，在一定的環(huán)境溫度、真空度和不同彎曲半徑下的電纜外張力的表征。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

彎曲力矩測試方法應(yīng)緊密地貼合型號的真實(shí)使用環(huán)境并結(jié)合電纜的固有特性來綜合地考慮與設(shè)計(jì)。通過對電纜所裝機(jī)電推進(jìn)器的工作環(huán)境和動作過程的摸底驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)影響彎曲力矩的因素主要有以下幾個方面：

1）電纜環(huán)境溫度；

2）電纜環(huán)境真空度；

3）電纜彎曲半徑及角度；

4）電纜彎曲走向。

2.1 環(huán)境溫度

按照型號使用環(huán)境要求，需要考慮低溫、常溫和高溫環(huán)境下電纜能承受的彎曲力矩。不同的溫度條件下電纜的彎曲力矩也會不同，在極端溫度環(huán)境下，它還會隨之發(fā)生明顯的變化，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境的情況來設(shè)定低溫、常溫和高溫值，要能滿足不同的溫度測試環(huán)境力矩測量的可行性要求。

根據(jù)型號使用平臺的溫度條件，選擇：-45℃→0℃→25℃→40℃。

2.2 環(huán)境真空度

由于航天器的艙外環(huán)境為真空環(huán)境，因此，彎曲力矩的測試環(huán)境需要模擬實(shí)際的使用條件，真空試驗(yàn)箱體的真空度需滿足10-3Pa的要求。

2.3 彎曲角度及半徑

推進(jìn)器在推進(jìn)時會帶動電纜一起彎曲轉(zhuǎn)動，因此，在不同推進(jìn)方向的作用下，就會使電纜與轉(zhuǎn)動軸之間形成一定的彎曲角度和彎曲半徑。為了驗(yàn)證電纜在不同的彎曲角度和半徑條件共同作用下是否會產(chǎn)生較大極差的彎曲力矩，需要設(shè)定彎曲最大角和一定的彎曲半徑值。

本文按照型號的實(shí)際需要，設(shè)定電纜的最大轉(zhuǎn)動角度為90°，彎曲半徑為60 mm。

2.4 彎曲走向

電纜成盤或成圈后自身存在一個彎曲方向 （一般多為順時針成盤或成軸），因此，在進(jìn)行彎曲力矩測試時就存在順著電纜自然走向的方向測試或逆著電纜自然走向的方向測試兩種情況。前者被稱為順向彎曲力矩測試或正角度彎曲力矩測試，后者被稱為逆向彎曲力矩測試或反角度彎曲力矩測試。彎曲力矩測試示意圖如圖3所示。

圖2 彎曲力矩測試示意圖

3 試驗(yàn)平臺搭建

3.1 硬件平臺

根據(jù)第2章的試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，硬件搭建平臺至少需要如下硬件：

1）半徑為60 mm的軸棒，帶線纜固定裝置和傳感器連接裝置；

2）轉(zhuǎn)動角度可調(diào)力矩檢測平臺，帶力矩傳感器一只，量程≥0.5 N·m，精度≤10 mN·m；

3）帶軸承圓柱形壓柱；

4）真空箱 （10-3Pa），溫度范圍為-50～55℃。

彎曲力矩測試試驗(yàn)平臺如圖3所示。

圖3 彎曲力矩測試平臺

3.2 測試方法

艙外電纜在工作時會轉(zhuǎn)動，根據(jù)工作平臺的實(shí)際使用溫度條件，需要考核整個溫度范圍內(nèi)的彎曲力矩值，綜合分析后確認(rèn)可以設(shè)定-45、0、25、40℃這4個溫度點(diǎn)作為全溫度范圍的代表溫度點(diǎn)進(jìn)行考核。由于每根電纜均需要測試順向彎曲力矩值和逆向彎曲力矩值，為了方便對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及統(tǒng)計(jì)分析，將順向彎曲力矩測試結(jié)果記錄為A，將逆向彎曲力矩值記錄為B。

3.2.1 試樣及試樣制備

需要3根800 mm的電纜，每根電纜隨機(jī)抽取2根250 mm的試樣，從第一根樣線中抽取的試樣計(jì)為A1、B1，從第二根樣線中抽取的試樣計(jì)為A2、B2，從第三根樣線中抽取的試樣計(jì)為A3、B3，其中A1、A2、A3試樣僅測試順向彎曲力矩值 （正角度），B1、B2、B3試樣僅測試逆向彎曲力矩值（反角度）。

3.2.2 試驗(yàn)測試過程

a）首先，測試順向彎曲力矩；然后，測試逆向彎曲力矩。每根電纜測試4個溫度點(diǎn)，即： （-45±2） ℃、 （0±2） ℃、 （25±2） ℃、（40±2） ℃； 測試順序?yàn)?（-45±2） ℃→ （0±2） ℃→ （25±2） ℃→ （40±2） ℃。

b）將電纜一端固定在軸棒上，固定點(diǎn)為兩個，根據(jù)平臺測試的要求，固定點(diǎn)后可彎曲轉(zhuǎn)動的電纜長度為 （200±5）mm。將測試軸棒與帶軸承圓柱壓柱裝到力矩檢測平臺上，并將力矩傳感器與測試軸棒進(jìn)行連接固定，調(diào)整圓柱形壓柱位置，使其軸承將線纜固定端與測試軸棒表面接觸，并使線纜保持水平。

c）根據(jù)a）所規(guī)定的測試溫度順序，設(shè)定相應(yīng)的電纜環(huán)境溫度值，并在電纜環(huán)境溫度達(dá)到規(guī)定值后保溫至少30 min。

d）啟動測試平臺，將力矩傳感器調(diào)零，圓形壓柱隨電纜長度方向沿著測試軸棒轉(zhuǎn)動，最大的轉(zhuǎn)動角度為90°；改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，使圓形壓柱作返回轉(zhuǎn)動至起始點(diǎn)，回轉(zhuǎn)過程中的力矩值不做要求。

e）首先，實(shí)時地采集測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲；然后，記錄每次測量的最大值及其對應(yīng)的角度。重復(fù)步驟c）-d），完成3次測試。

f）3根樣品測試結(jié)束后，彎曲力矩取3次測量的最大值為試驗(yàn)結(jié)果，并注明該測試值為正角度彎曲力矩或反角度彎曲力矩及其對應(yīng)的溫度點(diǎn)。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)應(yīng)用

試樣樣品選擇國內(nèi)某廠生產(chǎn)的航天器艙外用YH型電纜，最高耐溫260℃，額定電壓為2 500 V。電纜彎曲力矩測試結(jié)果 （取90°范圍內(nèi)最大值）如表1所示，彎曲力矩測試曲線如圖4所示。

表1 電纜展開過程中最大力矩測試結(jié)果

圖4 彎曲力矩測試曲線

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

a）從已有的試驗(yàn)結(jié)果來看，角度對彎曲力矩值的影響是隨機(jī)的，不管是順向彎曲力矩還是逆向彎曲力矩都未隨著彎曲角度的增加而呈現(xiàn)線性變化。由此可以說明，推進(jìn)器在帶動線纜進(jìn)行移動時，隨著彎曲角度的增加，電纜所產(chǎn)生的彎曲力矩并不一定會使推進(jìn)器產(chǎn)生能耗。而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不一致對力值產(chǎn)生的影響更為明顯。

b）不管是在哪個考核溫度點(diǎn)，電纜順向彎曲力矩值都要遠(yuǎn)小于逆向彎曲力矩值。因此，建議設(shè)計(jì)電推進(jìn)器工作軌跡時，應(yīng)盡可能地選取順向彎曲走向，以減少能量損耗。

c）電纜在不同的溫度環(huán)境下彎曲力矩值也有所差異，總體趨勢是環(huán)境溫度越低，彎曲力矩就會越大，特別是逆向彎曲力矩尤為明顯，低溫環(huán)境下的彎曲力矩值甚至是高溫環(huán)境下的2.1倍。順向彎曲力矩值在高低溫環(huán)境下的變化相對于逆向彎曲力矩要小些，最大倍數(shù)為1.6倍。

5 結(jié)束語

本文基于用戶型號任務(wù)需求作為牽引，模擬艙外電纜的實(shí)際使用環(huán)境，提出了一套針對YH型電纜彎曲力矩的試驗(yàn)測試方法，并進(jìn)行了硬件平臺搭建，順利地完成了宇航用YH型艙外電纜彎曲力矩的試驗(yàn)測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，平臺推進(jìn)器上選用的艙外電纜的彎曲力矩的大小與環(huán)境溫度及彎曲走向存在必然的關(guān)系，低溫環(huán)境下和逆向 （反角度）走線下的彎曲力矩值要求高于高溫環(huán)境和順向 （正角度）走線下的。

宇航艙外電纜彎曲力矩試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)開發(fā)，成功地完成了型號對艙外電纜在真實(shí)環(huán)境下彎曲力矩的模擬測試，測試數(shù)據(jù)值對完成單機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。此外，該彎曲力矩試驗(yàn)方法的提出，對于電線電纜行業(yè)開展類似的試驗(yàn)測試具有一定的借鑒作用。

[1]李濤，姜利祥，馮偉泉，等.空間原子氧對低地球軌道航天器用粘接劑的服飾效應(yīng)影響 [J].航天器環(huán)境工程，2009， 26 （3）： 223-224.

[2]馮偉泉.航天器材料空間環(huán)境適應(yīng)性評價與認(rèn)定準(zhǔn)則研究 [J].航天器環(huán)境工程，2010，27（2）：139-143.

[3]毛根旺，韓先偉，楊涓，等.電推進(jìn)研究的技術(shù)狀態(tài)和發(fā)展前景 [J].推進(jìn)技術(shù)，2000，21（5）：1-5.

[4]田立成，趙成仁，孫小菁.電推進(jìn)器在GEO靜止衛(wèi)星上的安裝策略 [J].真空，2014（3）：41-42.

[5]李應(yīng)典，張紅英，王智磊.某衛(wèi)星平臺輕量化、高承載設(shè)計(jì)技術(shù)研究 [J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008（3）：62-65.

[6]閆春子，關(guān)鵬.聚醚醚酮在電纜上的應(yīng)用 [J].電線電纜， 2013 （3）： 16-18.

[7]中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.電連接器附件總規(guī)范：GJB 1784-1993[S].

“折紙”骨骼軟體機(jī)器人可提起超過自身重量千倍物體

軟體機(jī)器人一直是一個非常有前景的研究領(lǐng)域，但這些軟體機(jī)器人缺少的一個重要特點(diǎn)是：強(qiáng)度。現(xiàn)在，來自麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室CSAIL和哈佛大學(xué)Wyss研究所的科學(xué)家們想出了一種給軟機(jī)器人一些力量的方法——用剛性的“折紙”骨骼來裝備它們。

在周一發(fā)表于 《PNAS》雜志上的一篇論文中，研究人員描述了一種新型柔性人造肌肉，可以用來制造柔性機(jī)器人。肌肉由一個充滿空氣或流體的密封袋組成，其中包含一個可折疊的折紙結(jié)構(gòu)作為骨骼。當(dāng)使用電動泵減少袋內(nèi)的壓力時，整個結(jié)構(gòu)就像手臂或腿部的肌肉一樣收縮。但是這些人造肌肉比人類的肌肉強(qiáng)得多，能夠提起超過自身重量1 000倍的物體。

CSAIL主任兼論文主要作者Daniela Rus教授表示： “軟體機(jī)器人有很大的潛力，但是到目前為止，其中一個局限性是有效載荷。 （它們）非常安全，非常溫和，但不擅長舉起重物。這種新的方法使我們能夠制造強(qiáng)大的柔性機(jī)器人?！?/p>

這種人造肌肉有很多潛在的用途，最明顯的是倉庫和物流操作，它們可以安全地處理易碎和脆弱的物體。它們也非常適合抓取具有不尋常形狀的物體。

一些研究人員使用吸盤等抓取器來處理不規(guī)則的形狀，而另一些則使用AI來嘗試和計(jì)算抓住目標(biāo)的最佳方法。然而，軟體機(jī)器人可以簡單地抓住物體。新的折紙骨架通過允許它們處理更重的物體，使得這種柔性抓取器更有用。

盡管如此，新的人造肌肉也有其缺點(diǎn)。最大的問題是，它們不像傳統(tǒng)機(jī)器人那樣容易控制或重新編程。他們移動的方向完全取決于他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一旦創(chuàng)造，就不能改變。

盡管如此，它們的用途并不像你想象的那么有限。研究人員可以使用算法來查找各種折紙圖案，以便這些 “肌肉”可以執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)動。但是，這仍然意味著這些人造肌肉不像更傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人那樣動態(tài)或有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

（摘自新浪科技）